[发明专利]一种尖晶石锰酸锂的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池正极材料的制备，尤其涉及一种尖晶石锰酸锂的制备及其应用。

背景技术

锂离子电池因其高容量、高密度、无污染、循环寿命长和使用安全而广泛应用于便携式通讯设备（笔记本电脑、移动电话、数码照相机、商务通等），因此备受人们的重视。锂离子电池体系主要由正极、负极、电解质和隔膜等几部分构成。其中正极材料作为锂离子电池不可缺少的一部分，近几年很受研究者的关注。因为尖晶石的LiMn₂O₄比LiCoO₂有很多突出的优点，例如材料本身无毒、安全，原料富有且便宜，从而成为了最具潜力正极材料的代替品。一般来讲，LiMn₂O₄的电化学性能与它的相纯度、结晶化程度、粒子尺寸和形态密切地相关，以上所有方面基本都与材料的合成过程有关。但是，目前合成高质量高性能的正极材料，传统高温烧结过程是必须的，然而这个过程导致了较宽的粒度范围，同时很多颗粒团聚，从而导致合成的锰酸锂正极材料的电化学性能不是很稳定。为满足现在的工业需求，合成一种高质量的尖晶石锰酸锂正极材料仍然是个很有挑战的课题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种操作简单方便、成本低廉、利于工业化生产的尖晶石锰酸锂的制备方法，并且应用于锂离子电池的正极材料。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种尖晶石锰酸锂的制备方法，包括以下步骤：称取锂源和锰源，溶于易挥发溶剂中，搅拌球磨，烘干，放入等离子体管式炉中，通氧气，然后进行抽真空，匀速升温，加热，待管式炉的温度到达预设的温度，将等离子体设定到一定的功率，开始进行等离子体处理（等离子体处理与烧结过程同步），此过程真空度要一直保持在100 pa以下，然后匀速降温至室温，即得到尖晶石锰酸锂。

等离子体就是被激发的电离气体，气体达到一定的电离度(>10^-4)，即处于导电状态，这种状态的电离气体就表现出集体行为，即电离气体中每一带电粒子的运动都会影响到其周围带电粒子，同时也受到其他带电粒子的约束。由于电离气体整体行为表现出电中性，也就是电离气体内正负电荷数相等，称这种气体状态为等离子体态。由于它的独特行为与固态、液态、气态都截然不同，所以称为物质第四态。总之，等离子体是由大量自由电子和离子及少量未电离的气体分子和原子组成，且在整体上表现为近似于电中性的电离气体。等离子体具有德拜(Debye)屏蔽和准中性的特性。德拜屏蔽是指在等离子体中引入电场，经过一定时间，等离子体中的电子、离子将移动，屏蔽电场的现象；准中性是指在等离子体内部，正、负电荷数几乎相等的现象。

本发明采用低温固相等离子体辅助法合成，正是利用了等离子体产生的第四态环境下，在一定的温度和等离子体处理下，优先形成性能比较稳定的化合物，而且比较偏向于多面体，而尖晶石锰酸锂的结构正好也是正八面体结构。

上述的制备方法中，优选的，所述锂源为单水氢氧化锂、醋酸锂或硝酸锂中的任意一种，所述锰源为二氧化锰、醋酸锰、硝酸锰、氯化锰或硫酸锰中的任意一种，所述锂源和锰源按原子计量摩尔比， Li：Mn=1:2（即锂原子与锰原子的摩尔比大约为1:2）。

上述的制备方法中，优选的，所述易挥发溶剂为乙醇、甲醇或丙酮中的任意一种，所述锂源、锰源的混合物与易挥发溶剂的质量比为1:0.8~1:1.2。

上述的制备方法中，优选的，所述球磨的转速为400~500 r/min，时间为1~3h。

上述的制备方法中，优选的，所述烘干的工艺条件为：置于80~100℃烘箱中干燥6~10h。

上述的制备方法中，优选的，所述氧气的通气速率为2~5sccm，通气的时间为10~15min，所述抽真空操作后，真空度小于100Pa。

上述的制备方法中，优选的，所述匀速升温、匀速降温的速率均为10℃/min。

上述的制备方法中，优选的，所述等离子体处理的温度为400~500℃，时间为20~60min，所述等离子体处理完后，恒温20~40min。

一种由上述制备方法制得的尖晶石锰酸锂在制备锂离子电池正极材料中的应用。